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http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41364| Título: | Análise do desempenho operacional de uma caldeira de biomassa de leito fluidizado borbulhante |
| Título(s) alternativo(s): | Operational performance analysis of a bubbling fluidized bed biomass boiler |
| Autor(es): | Garcia, Geovanni Postingel |
| Orientador(es): | Gatti, Larissa Maria Fernandes |
| Palavras-chave: | Biomassa Caldeiras Fornos de leito fluidizado Análise preditiva Papel - Indústria Biomass Boilers Fluidized-bed furnaces Predictive analytics Paper industry |
| Data do documento: | 2-Jul-2026 |
| Editor: | Universidade Tecnológica Federal do Paraná |
| Câmpus: | Londrina |
| Citação: | GARCIA, Geovanni Postingel. Análise do desempenho operacional de uma caldeira de biomassa de leito fluidizado borbulhante. 2026. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Química) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2026. |
| Resumo: | O setor de papel e celulose apresenta elevada demanda energética, o que torna importante a busca por estratégias que contribuam para a melhoria do desempenho operacional de caldeiras que utilizam biomassa como combustível. Nesse cenário, este trabalho teve como objetivo analisar o desempenho de uma caldeira de biomassa de leito fluidizado borbulhante em uma indústria de papel e celulose, por meio do desenvolvimento de modelos preditivos baseados no algoritmo eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) e utilizando a metodologia de análise de dados Cross- Industry Standard Process for Data Mining (CRISP-DM). Para isso, foram utilizados dados operacionais, contemplando variáveis relacionadas tanto ao combustível, como consumo e umidade da biomassa, quanto à caldeira, como suprimento de ar e condições térmicas. Foram desenvolvidos dois modelos de regressão: um voltado à predição de vazão de vapor superaquecido e outro à estimativa do teor de monóxido de carbono (CO) nos gases de combustão, utilizado como indicador de combustão incompleta. O ajuste dos hiperparâmetros foi realizado por meio do GridSearchCV, enquanto a interpretação dos modelos foi conduzida pela técnica de importância por permutação, permitindo identificar as variáveis de maior influência no comportamento dos modelos. Os resultados indicaram que o modelo de vapor apresentou desempenho satisfatório, com Mean Absolute Percentage Error (MAPE) de 2,76% e coeficiente de determinação (R2) de 0,87, demonstrando boa capacidade de representar a geração de vapor nas condições avaliadas. Para o modelo de CO, o desempenho foi mais limitado, com Mean Absolute Error (MAE) de 2,23 ppm e R2 de 0,61, refletindo a maior variabilidade dessa variável. A análise integrada mostrou que a vazão de ar secundário e a temperatura do ar pós-booster foram mais relevantes para a produção de vapor, enquanto as temperaturas da fornalha e do leito apresentaram mais influência na predição de CO. Essas duas variáveis térmicas também estiveram entre os principais fatores do modelo de vapor, evidenciando sua relevância para ambos os modelos. O estudo evidencia o potencial das técnicas de aprendizado de máquina na indústria de celulose ao transformar dados operacionais em informações úteis para o acompanhamento do processo, a identificação de padrões e o suporte à tomada de decisão, com implicações diretas na eficiência e sustentabilidade. Para trabalhos futuros, recomenda-se ampliar a base de dados, a fim de verificar sua robustez, capacidade de generalização e viabilidade de aplicação no monitoramento operacional. |
| Abstract: | The pulp and paper sector has a high energy demand, making the search for strategies that improve the operational performance of biomass boilers relevant for energy efficiency and sustainability. In this context, this study aimed to analyze the performance of a bubbling fluidized bed biomass boiler in a pulp and paper facility through the development of predictive models based on the eXtreme Gradient Boosting (XGBoost) algorithm, following the Cross-Industry Standard Process for Data Mining (CRISP-DM) methodology. Operational data were used as model inputs, including fuel-related variables, such as biomass consumption and moisture content, and boiler-related parameters, such as air supply rates and thermal conditions. Two regression models were developed: one to predict superheated steam flow rate and another to estimate carbon monoxide (CO) concentration in flue gases, used as an indicator of incomplete combustion. Hyperparameter optimization was performed using GridSearchCV, while model interpretation was conducted through the permutation importance technique, allowing the identification of the variables with the greatest influence on model behavior. The steam flow model demonstrated satisfactory predictive performance, with a Mean Absolute Percentage Error (MAPE) of 2.76% and a coefficient of determination (R2) of 0.87, indicating a good ability to represent steam generation under the evaluated conditions. The CO model showed more limited performance, with a Mean Absolute Error (MAE) of 2.23 ppm and an R2 of 0.61, reflecting the greater variability of this response variable. The integrated analysis showed that secondary air flow rate and post-booster air temperature were the most relevant variables for the steam production, whereas furnace and bed temperatures had the greatest influence on CO prediction. These two thermal variables were also among the main factors in the steam model, highlighting their relevance to both models. The findings highlight the potential of machine learning techniques in the pulp and paper industry by transforming operational data into useful information for process monitoring, pattern identification and decision-making support, with direct implication for efficiency and sustainability. Future work should focus on expanding the dataset in order to evaluate model robustness, generalization capacity and feasibility for application in operation monitoring. |
| URI: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/41364 |
| Aparece nas coleções: | LD - Engenharia Química |
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